作者 | Tsinglin  

文章來源 | CFD學習與應用

本案例演示采用STAR-CCM+模擬家用水龍頭內部冷、熱兩股水流混合后流出過程，水龍頭內部水流流動特性與溫度分布情況。

一、問題描述

熱水和冷水進入水龍頭，在混合區域中交匯，然后從出口流出。其中混合器部件材料為黃銅，管道部件材料為不銹鋼。模擬60℃熱水與20℃冷水分別以5m/s的流速流入混合器進行混合，最終流出。

水龍頭結構模型是由CAD工程師提供的Inventor建好三維幾何模型，（源文件見文末下載鏈接）

二、仿真目的

獲取水龍頭內部冷、熱流體的混合流動特性及傳熱特性，用于指導混合器的結構設計。

? 評估水龍頭中的水流分布

? 評估水龍頭出水溫度的均勻性

? 測量水龍頭的壓降

三、仿真策略

綜合考慮仿真時間成本和仿真精度，合理將仿真任務進行分解，如按時間成本從低到高排序如下：

第一步，不考慮固體熱容對換熱影響，穩態分析；精度低

第二步，考慮固體熱容對流體換熱影響，穩態分析；精度高

第三步，如需了解整個混合換熱過程，則需要進行瞬態分析；

四、CFD過程演示

1、模型前處理

本案忽略了固體熱容對溫度場的影響，因此，提取水龍頭內部流道進行數值仿真。本案例采用3D-CAD操作抽取模型如下：（此處推薦用SCDM做幾何前處理）

1.1 啟動STAR-CCM+，新建模擬。右擊【幾何/3D-CAD】節點，選擇【新建】進入3D-CAD編輯窗口。

1.2 如圖操作，導入保存在電腦中的CAD文件【FAUCET.iam】

1.3 右擊模型選擇【抽取內部體積】，如圖，在綠色框內選擇進出口端面，紅色框內選擇與流體接觸的幾何部件，創建流體域

1.4 如下圖，找到創建抽取出的流體域幾何body，右擊對應節點，選擇【新幾何零部件】，將流體域幾何傳遞至【幾何/零部件】節點

1.5 在【幾何/零部件/Body3/表面】節點，右擊【Default】選擇【根據塊分割幾何零部件表面】，定義邊界表面（入口、出口、壁面等）

1.6 右擊【幾何/零部件/Body3】節點，選擇【將零部件分配給區域】，按下圖所示進行選擇

，此時，將幾何零部件傳遞至【區域】節點

2、劃分流場域網格

基于PBM方式，采用自動網格劃分方法劃分多面體網格，由于壁面對流動影響不是考察重點，因此本案例創建3層邊界層網格。之所以采用多面體網格是因為STAR-CCM+中對于這種復雜結構模型采用多面體網格能夠有有效減少網格數量和提高數值求解收斂速度。

2.1 右擊【操作】>【自動網格】，選擇網格模型

2.2  網格設置參數如下表所示

節點	屬性	設置值	備注
基礎尺寸	值	0.003m
最小表面值	尺寸類型	相對基數的值
	基數百分比	1%
棱柱層	棱柱層數	3
	棱柱層延伸
	棱柱層總厚度	尺寸類型：相對基數的值 基數百分比：30%

2.2 在【區域】節點，按照仿真工況已知邊界條件設置類型，下圖給出了【壓力出口】邊界設置方法。其他邊界設置類似，這里不過多贅述。

2.3 執行【體網格生成】，進行計算前請檢查網格質量。

3、求解設置

3.1 本案例工況為內流流動，通過計算，入口雷諾數大于2500，因此閥門內部流動為湍流流動。

第一層邊界厚度及雷諾數計算可通過以下網址查詢：https://pointwise.com/yplus/index.html

3.2 在【連續體】節點，選擇【物理模型】如下圖所示

3.2在【停止標準】節點設置【Maximum Stops】為600

3.3 在【報告】節點創建出口速度的【表面平均值】監測量：在【屬性】面板中【場函數】選擇速度，【零部件】選擇出口

3.4 在【報告】節點右擊創建的監測量【表面平均值1】，選擇【根據報告創建監視器和繪圖】，創建一個繪圖

3.5 也可在創建其他監測量或者矢量或者標量視圖用于求解過程監測，本案例不再贅述。

4、運行仿真，進行數值計算

觀察殘差曲線與監測平均速度，當殘差下降到10E-3以下，監測量穩定后，說明計算收斂。

5、結果后處理

5.1  溫度云圖

5.2  壓力云圖

5.3  矢量動圖

5.4 流線動圖

五、總結

本案例因為篇幅有限，忽略了些不重要的操作過程，大家可自行嘗試。本案例旨在提供一個具體的CFD仿真分析過程，為大家在做這類型CFD仿真提供一些幫助。個人始終覺得如何應用CFD解決我們實際工程問題才是關鍵，至于軟件的操作只是我們工程師的一個工具，只要我們在平時工作和學習過程中，多操作、多思考都能熟練掌握其操作。

本案例只是從不考慮固體熱容情況下，對水龍頭內部流場及溫度分布進行了模擬，后續大家還可以嘗試考慮固體的熱容情況?嘗試其他湍流模型？調整壁面邊界層網格設置？.....從不同的角度和維度刨析不同的設置對數值結果的影響？當您遇到不理解的地方，我們可以自己先嘗試思考，為什么出現這種現象或者差異？然后再去咨詢前輩或者查閱資料，去了解相關問題或者理論知識，補充下自己的知識漏點。我相信，只要您堅持一段時間，一定會有跟以前不一樣的收獲。

源文件下載地址：

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